紅皺巖螺貝殼的結(jié)構(gòu)表征及力學(xué)行為研究.pdf

1、天然生物材料，尤其是生物礦化材料，如骨骼、貝殼和牙齒等，在歷經(jīng)了隨生物體長期的進(jìn)化后，其材料微結(jié)構(gòu)和與之相對(duì)應(yīng)的宏觀性能基本上趨于最優(yōu)化。盡管生物礦化材料的基本組成單元很平常，如碳酸鈣或磷酸鈣等最常見的材料，但往往具有適應(yīng)其環(huán)境及功能需要的復(fù)雜組裝結(jié)構(gòu)，所表現(xiàn)出的杰出的材料性能，是傳統(tǒng)人工合成材料無法比擬的。貝殼作為天然生物材料的一種，由于其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)，優(yōu)異的力學(xué)性能而受到材料設(shè)計(jì)和研究者的關(guān)注。本文以天然生物材料紅皺巖螺貝殼為研究對(duì)象

2、，利用各種分析、測(cè)試技術(shù)對(duì)紅皺巖螺貝殼的微觀組織結(jié)構(gòu)、晶體成份、維氏顯微硬度、壓縮力學(xué)行為進(jìn)行了分析探討，為人們研究這種天然生物材料的結(jié)構(gòu)及力學(xué)行為提供了可供參考的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。
　　通過對(duì)紅皺巖螺貝殼不同層平面和不同取向橫截面的微觀組織觀察發(fā)現(xiàn)，紅皺巖螺貝殼是一種具有層級(jí)結(jié)構(gòu)材料，層級(jí)結(jié)構(gòu)分布于整個(gè)貝殼。紅皺巖螺貝殼的內(nèi)層和中層是一種片狀珍珠質(zhì)的交錯(cuò)結(jié)構(gòu)，外層是一種棱柱狀結(jié)構(gòu)，在外層與中層之間可以觀察到一個(gè)非常明顯的界面。紅皺巖螺貝

3、殼在沿著不同取向的橫截面（垂直取向的橫截面和平行取向橫截面）所觀察到的微觀組織也有差異，表現(xiàn)出各向異性特征。
　　通過對(duì)紅皺巖螺貝殼各層的XRD數(shù)據(jù)分析可知，紅皺巖螺貝殼各層的成份及含量都存在差異。紅皺巖螺貝殼內(nèi)層和中層的主要成份是球文石型碳酸鈣晶體和可能由于球文石相轉(zhuǎn)變或分解而產(chǎn)生的多種物質(zhì)，且在內(nèi)層和中層中成份種類及含量都不同。外層中含有一種與中層所探測(cè)到的方解石碳酸鈣晶體結(jié)構(gòu)不同的方解石碳酸鈣晶體。這種方解石碳酸鈣晶體在外層

4、中含量高，是紅皺巖螺貝殼外層的主要成份。
　　對(duì)紅皺巖螺貝殼不同層平面及不同取向橫截面進(jìn)行了顯微硬度表征發(fā)現(xiàn)，貝殼從內(nèi)層到外層硬度逐漸降低（以橫截面上不同位置在50 g載荷下的硬度為參考，貝殼內(nèi)層到外層的維氏硬度在312 Hv-155 Hv之間）。通過對(duì)顯微硬度壓痕的觀察和測(cè)量發(fā)現(xiàn)，貝殼不同層的壓痕裂紋路徑、裂紋擴(kuò)展距離及壓痕產(chǎn)生的破壞區(qū)面積都不一樣，表現(xiàn)出來的斷裂韌性從內(nèi)層到外層逐漸降低，各層的斷裂機(jī)制及韌化機(jī)制不同。
　

5、　對(duì)紅皺巖螺貝殼平行層平面上不同取向樣品（即加載方向與貝殼螺旋線成不同角度）進(jìn)行了壓縮試驗(yàn)，測(cè)量了彈性模量、第一斷裂應(yīng)力、最大斷裂應(yīng)力、斷裂功密度等數(shù)據(jù)。發(fā)現(xiàn)不同取向的紅皺巖螺貝殼樣品在這些測(cè)量數(shù)據(jù)方面均不相同，但每項(xiàng)數(shù)據(jù)都是0°取向樣品平均值最高，60°取向樣品平均值最低，說明紅皺巖螺貝殼樣品的力學(xué)性能與其取向有關(guān)。這應(yīng)該是由于不同取向貝殼樣品中粗細(xì)紋路所處的應(yīng)力狀態(tài)不同導(dǎo)致的。通過對(duì)紅皺巖螺貝殼壓縮過程中斷裂行為的研究及對(duì)其斷裂路徑